鄂西地區歐洲云杉幼齡無性系生長差異及早期評價與選擇

高本旺，歐陽芳群，高 晗，李 薇，雷 華，田開春，祁 松，王軍輝

(1.宜昌市林業科學研究所，湖北 宜昌 443111；2.北京市植物園管理處，北京市花卉園藝工程技術研究中心，城鄉生態環境北京實驗室，北京 100093；3.湖北宜昌夷陵區樟村坪國有林場，湖北 宜昌 443145；4.林木遺傳育種國家重點實驗室，國家林業和草原局林木培育重點實驗室，中國林業科學研究院林業研究所，北京 100091)

自20 世紀80 年代開始，我國就已開展主要用材林及經濟林樹種無性系選育及改良工作，以開拓集約人工林發展無性系林業的道路。各樹種如楊樹（PopulusL.）、杉 木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、落葉松（Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.）、白榆（Ulmus pumilaL.）、刺槐（Robinia pseudoacaciaL.）、油茶（Camellia oleiferaAbel.）、板栗（Castanea mollissimaBlume）和核桃（JuglansregiaL.）等都已篩選出一批遺傳增益達30%以上的無性系種質資源，成為這些樹良種化的支柱品種[1]。歐洲云杉（Picea abies(L.)Karsten.）為松科（Pinaceae）云杉屬（Picea），是我國北方成功引種的外來用材樹種，它比各鄉土云杉具有極高生產力，胸徑可達150 cm[2-3]。中國林業科學研究院林業研究所云杉課題組自20 世紀80 年代開始從全世界歐洲云杉主要分布區的法國、德國、英國和捷克等地引進不同種源、家系等種質，在全國多地點開展引種對比試驗，從繁殖育苗[4-6]、引種適應性[7-10]、遺傳多樣性[11-12]等方面逐步對引進的云杉進行了研究分析及優選，初步已確定其適應地區和增益優勢。

林木育種最終目的是選育優良種質資源。Kliz 等研究指出，不同歐洲云杉種群在特定的環境中具有不同的適應能力[12]。最佳線性無偏預測（BLUP）利用混合模型對育種值等遺傳參數進行無偏估計，其得出育種值與實際值相關系數大，且能夠有效消除除遺傳因素的其它影響得出育種值與實際值相關系數大，且能夠有效消除其它除遺傳因素的影響[13-14]。R 語言中lme4、nme、MCMCglmm、ASReml 等程序包都可進行混合線性模型的數據分析，其中，lme4 包中的lmer 函數是BLUP 分析常用的方法之一。筆者以9 年生378 個歐洲云杉無性系試驗林為試材，研究其表型性的遺傳變異，探討其進行材質改良的潛力，并通過樹高基因型值/遺傳值優選30 個無性系，可為歐洲云杉無性繁殖推廣應用提供優質種質材料。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點地處湖北省宜昌市夷陵區北部樟村坪林場（31°09′50″ N、110°03′43″ E），海拔1502 m，坡度22°，坡向東，坡位中上，年平均降水量1 100 mm 以上，年平均氣溫7.4～17.6℃，濕度82%。

1.2 材料來源

參試的378 個歐洲云杉捷克種源無性系來源于中國林業科學研究院林業研究所云杉遺傳改良課題組與甘肅天水小隴山林業科學研究所協作苗圃開展生產性育苗。通過播種繁殖后，于2008 年選超級苗扦插，單株無性系化并進行多次選擇比較，2011 年3 月，選擇出378 個歐洲云杉無性系苗（3 年生）在宜昌市夷陵區樟村坪鎮樟村坪林場三岔埡分場宰金坪造林，田間試驗采用隨機完全區組試驗設計，5 次重復，4 株方塊小區，株行距為2 m×2 m，挖穴規格40 cm×40 cm×40 cm，不施基肥，營造無性系測試林3 hm2。

1.3 研究內容及測定指標

（1）378 個歐洲云杉無性系各性狀遺傳變異評價。2019 年底至2020 年初全面調查378 個無性系樹高、胸徑、冠幅、新梢長及分枝數等指標（實測6 597 株，缺963 株）。

（2）優良無性系選擇。利用無性系試驗林樹高遺傳值對試驗林開展優良無性系選擇。

1.4 調查統計方法

（1）2019 年在歐洲云杉生長休眠期進行9 年生長量指標調查，調查指標包括樹高（H/ m）、胸徑（D/cm）、新梢長（I/cm）、冠幅（C/cm）、分枝數（B/個）。

（2）對歐洲云杉無性系間生長性狀進行有關遺傳參數估算，采用線性模型如下：

式中：Xijk為單株觀測值，μ為試驗均值，Cj為無性系效應（隨機），Bi為 區組處理（固定），BCi j為區組與無性系互作效應 (隨機)，eijk為剩余項。

（3）無性系遺傳變異系數（CVc）和表型變異系數（CVp）:

（4）無性系重復力（R）計算公式：

（5）相關系數：

（6）各性狀遺傳值估算采用混合線性模型如下：

式中：y觀察向量，β為固定效應向量，u為隨機效應向量，e為誤差向量；X、Z分別為設計矩陣。

（7）遺傳增益（G）：

式中：S表示選擇差；R表示無性系重復力。

1.5 統計軟件

方差分析采用R 軟件GLM 模塊計算，遺傳參數及遺傳值采用R 軟件lme4 程序包計算[15]。遺傳相關系數采用軟件HalfsibSS 1.0[16]，表型相關系數采用軟件SAS 9.1 CORR 模塊計算Pearson 表型相關系數[17]。

2 結果與分析

2.1 無性系的表型變異和遺傳參數估計

對378 個9 年生歐洲云杉無性系表型性狀進行調查分析，歐洲云杉各無性系苗平均保存率達88.8%，最大值達100%，最小值為25%。由表1可知：378 個9 年生歐洲云杉無性系（不含苗期3 年）樹高均值為2.62 m，當年新梢長度均值為36.80 cm，胸徑均值為2.80 cm。當年生長輪每輪平均4.47 個分枝，冠幅大小均值為125.30 cm，各表型變異系數平均為31.38%～48.24%，說明無性系之間不同表型性狀差異較大。

表1 歐洲云杉無性系表型均值Table 1 Phenotype average values of Picea abies clones

對歐洲云杉無性系各性狀進行方差分析，由表2 可知：性狀無性系間均差異極顯著，說明從無性系水平進行篩選及遺傳改良的可行性極大，即同一種源內基因型間有極大生長和適應性差異；分枝數在區組間差異顯著或極顯著，其它性狀在區組間差異表現為顯著。各性狀在無性系與區組間交互作用極顯著，受遺傳和環境交互影響較大。

表2 歐洲云杉無性系生長性狀方差分析Table 2 Variation analysis of growth traits of Picea abies clones

從表3 方差分量看：樹高、新梢長、胸徑、分枝數、冠幅、材積無性系效應的方差分量占比為10.2%～20.42%，無性系與區組效應的方差分量占比為7.75%～ 34.29%，誤差方差分量占比為47.25%～82.05%，除分枝性狀外，其它生長性狀無性系與區組互作效應均大于無性系效應，說明歐洲云杉無性系生長受遺傳和環境互作影響較大，誤差方差分量占比相對較高，說明無性系區組間及小區內個體間受環境影響效應較大。

表3 歐洲云杉無性系的生長性狀方差分量和遺傳參數估計Table 3 Variance component and gene parameters of Picea abies clones

從表3 中無性系重復力來看：各性狀受無性系遺傳因素控制程度較強，進行改良潛力較大，其中，無性系胸徑和冠幅性狀重復力達到0.70 以上。無性系各性狀遺傳變異系數均小于表型變異系數，遺傳變異系數為10.02%～20.38%，表型變異系數為31.36 %～48.36%。

2.2 無性系生長性狀間的相關分析

對9 年生378 個歐洲云杉無性系的各生長性狀樹高、新梢長、胸徑、冠幅、分枝數、材積進行相關分析，其中，分枝數數據進行對數化（以10 為底）后分析，結果（表4）表明：無性系樹高、新梢長、胸徑、冠幅表型相關和遺傳相關系數較高（0.72～0.95），且都極顯著相關。無性系材積與樹高、胸徑、新梢長和冠幅間有顯著或極顯著表型相關和遺傳相關。分枝數與其他各性狀表型及遺傳相關系數均較低，且不顯著相關。可能的原因是無性系分枝數測量的是頂輪分枝數，并不是整株的分枝數。

表4 無性系生長性狀相關系數Table 4 Correlation coeffieient of growth traits in Picea abies clones

2.3 無性系遺傳值估計與優良無性系的初步選擇

運用BLUP 方法得到378 個歐洲云杉無性系樹高遺傳值范圍為?81.16～108.59，大于0 的無性系有167 個。樹高遺傳值與樹高實際值經檢驗，相關系數達0.997（圖1），二者呈極顯著正相關（p<2.2e?16）。

圖1 歐洲云杉無性系樹高遺傳值與實際值之間的線性相關Fig.1 The pearson correlation between tree height of the clones and genetic value

從中選擇遺傳值較高的30 個無性系作為優良無性系，樹高選擇差為101.39 cm，入選無性系樹高均值為363.18 cm，遺傳增益為26.38%；入選無性系胸徑、冠幅均值分別為4.06、162.37 cm。各無性系號及樹高遺傳增益見表5。

表5 入選的歐洲云杉優良無性系及樹高遺傳增益Table 5 Selected superior P.abies clones and genetic gain of tree height

3 討論

無性系育種在林木遺傳改良中具有很大的潛力和優勢，繁殖的無性系不僅能夠繼承母株的加性效應，還繼承了母株的顯性和上位作用效應[18-19]。參試378 個歐洲云杉無性系是苗期篩選出的優良單株扦插擴繁初步選出而來。通過無性系生長表型的測定可直接了解該無性系對區域的適應性及遺傳變異情況。

本研究通過對樟村坪林場378 個歐洲云杉無性系樹高、胸徑、冠幅、分枝數、新梢長等表型性狀的測定及變異分析發現，同一種源內歐洲云杉無性系間具有極顯著差異，各性狀無性系重復力較高，說明各性狀在無性系間具有差異。各性狀表型變異系數為31.36%～48.36%，遺傳變異變異系數為10.02%～ 20.38%。各性狀的無性系、無性系與區組互作效應都顯著，無性系與區組互作效應方差分量比無性系的方差分量大（分枝數除外），說明遺傳因素及立地環境因素對歐洲云杉無性系的影響很大。在林木育種中，尤其具有重要商業價值的樹種研究報告中，均顯現出顯著的遺傳因素與環境因素的互作效應影響如火炬松（Pinus taedaL.）、落葉松、桉樹（Eucalyptus robustaSmith.）、云杉等[20-22]。

歐洲云杉無性系各性狀重復力范圍為0.59～0.71，表明全部性狀均中等程度以上的遺傳調控，無性系間遺傳效應與一般環境效應疊加所形成的表型性狀具有較高的穩定性。在無性系性狀遺傳變異分析中，滇楸（Catalpa fargesiiBur.）[23]、香椿（Toona sinensis(A.Juss.) Roem.）[24]、桉樹[25]等均表現出了大于0.50 的重復力，并在無性系間進行了優選。歐洲云杉無性系生長性狀重復力較高，在本地進行優良無性系的選擇可以取得較好的改良效果。

通過各性狀遺傳和環境相關性分析，胸徑與樹高遺傳相關系數達到0.95，因此，利用樹高遺傳值大小進行優良無性系的選擇具有一定的可行性。遺傳值是林木選擇育種中一項重要參數，代表遺傳效應中的加性效應部分。BLUP 法是Henderson 針對不平衡資料提出的一種預測方法，能夠應用線性方程進行固定效應和隨機效應的估算。1988 年White等[26]對BLUP 方法的應用進行了詳細的介紹，目前，BLUP 方法已在泡桐（Paulownia fortunei(Seem.)Hemsl.）[27]、扭葉松（Pinus contortassp.latifolia）[28]、火炬松[29]、青海云杉（Picea crassifoliaKom.）[14]育種中應用。孫曉梅等[30]也通過比較分析表示，通過BLUP 方法估算在無性系選育中具有重要意義。

4 結論

目前，在鄂西地區湖北宜昌已建立云杉屬種質基地110 hm2，包括歐洲云杉海拔區域對比試驗林及推廣示范林，通過本地區378 個歐洲云杉優良無性系遺傳變異分析，篩選出30 個優良無性系，入選的無性系樹高遺傳增益達到26.38%，可扦插擴繁為本地提供優質種苗和優先推廣利用，加速本地云杉人工林的發展。目前，已完成部分入選優良無性系再嫁接工作，嫁接成活率98%，以供建采穗圃和矮化處理做捷克種源育種群體親本用。此外，通過仔細調查生長好的無性系和生長差的無性系有物候等生長和形質指標差別，以供選擇參考。